Modélisation 3D des nerfs du membre supérieur gauche - Matériels et Méthodes

Le corps choisi dans notre étude a été sélectionné parmi tous les cadavres donnés à la science pour la recherche médicale avec le consentement de leurs proches [4]. Le consentement avait également été donné dans les cas de prisonnier mort par injections létales.
Le sujet a été choisi afin d’être le plus représentatif possible de la population, en l’occurrence ici, de la population coréenne.  Le sujet sélectionné est un homme décédé à l’âge de 33 ans le 26 mars 2001 d’une leucémie, son corps en porte donc les séquelles : il est atteint d’une splénomégalie, d’une pneumopathie et d’adénopathies [4].

Il mesurait 1,64 et pesait 55 kg.

Pour tous les Visible Human Project (VHP), les principales données sont les images obtenues par cryomatocrome avec leurs véritables couleurs humaines ; ainsi que des IRM et scanners des mêmes cadavres en compléments. Les IRM et scanners sont utiles car elles permettent de facilement retrouver les différentes structures, notamment pour les médecins et étudiants en médecine habitués à ce format d’image.

Pour le KVH, l’IRM du cadavre n’était cependant pas de la même qualité que l’IRM du corps vivant.

Le cadavre a été numérisé en entier par IRM puis scanné tous les 1,0 mm puis intégralement sectionné en coupes de 0,2 millimètres.  Le cadavre a été exploré grâce au scanner Philips Brillance 64 barrettes.

Préparation du cadavre :

En Corée, les cadavres n’ont pas été injectés par des fixateurs ni par des colorants. Les coupes ont donc conservé les couleurs originelles d’un corps humain vivant. A contrario, aux Etats-Unis et en Chine, des fixateurs ont été injectés dans les artères des cadavres afin d’obtenir des contours plus précis dans les images. En Chine, après l’injection du fixateur, une injection de colorant rouge a été réalisée, ce qui a été très utile afin d’identifier les différentes branches artérielles d’une coupe à l’autre. Ces préparations différentes ont permis des images de qualité variable et donc des données différentes à la disposition des utilisateurs.

La posture du cadavre masculin du VHP était telle que les paumes de ses mains se situaient face à son tronc, rendant difficile l’identification des structures de la main selon un plan horizontal. Ainsi donc en Corée et en Chine, les paumes ont été placées de part et d’autre du tronc, relativement proche de la position anatomique de référence.

Les cadavres ont toutes les parties dorsales de leurs corps plus ou moins aplaties du fait de leurs positions en décubitus dorsal lors de leurs morts. Après la congélation des cadavres, leurs dos étaient aplatis de manière irréversible sur les images et les modèles 3D. Le VCH a été le seul projet à résoudre cet artefact en passant par un massage et un protocole d’embaumement avec le cadavre en position debout.

Photographies des coupes anatomiques :

Dans le VHP, les chercheurs n’ont eu d’autres choix que de couper le cadavre en quatre morceaux du fait des limitations dues à la taille des machines servant à embaumer et

du cryomatocrome. De ce fait, des pertes inévitables entre les quatre parties ont eu lieu, ce qui a eu pour conséquences l’obtention de données incomplètes. En Corée et en Chine, ces imperfections ont été évitées en fabriquant du matériel suffisamment large pour contenir un corps humain entier.

Pour le KVH, un très grand laboratoire a été nécessaire à l’utilisation des équipements tels que : le cryomatocrome (5mx4mx3m), les instruments de photographie, les installations lumineuses ou les ordinateurs. Ce grand espace a été bénéfique lors des procédures de coupes et de photographie, permettant ainsi l’obtention d’images de haute qualité.

De plus, une autre contrainte s’est imposée, le laboratoire devait être suffisamment froid (autour de 0°C) afin d’empêcher les « boîtes » congelées d’embaumement de fondre durant les coupes, ce qui était très difficile à maintenir à la bonne température. Les coupes ont ainsi été réalisées en hiver, fenêtres ouvertes. Au mieux, une centaine de coupes pouvait être effectuée chaque jour.

Segmentation des coupes :

Les intervalles de coupes pour les cadavres étaient approximativement de 0,2 mm. Le fait que la taille soit la même pour un intervalle et un pixel a permis d’obtenir des reconstructions volumiques sophistiquées du fait de l’obtention de voxels de 0,2 mm d’arête. Par la suite, des voxels de 0,1mm ont été obtenus pour les têtes et pelvis d’un cadavre et le corps d’un enfant. Une future tentative pourrait être l’obtention de voxels de 0,1 mm pour un corps adulte entier.

Malgré des essais très précis de coupes et de photographie, il y eut des alignements erronés et des changements de luminosité entre des coupes successives. Les fautes d’alignement et les problèmes de luminosité ont été décelés à l’aide de tiges repères et d’échelles de gris, respectivement.

Winsurf est la version PC de Surfdriver (logiciel conçu pour modéliser de manière rapide et fiable des coupes sectionnées de matériel biologique). Il s’agit d’une version plus récente de ce dernier utilisable par tous, professionnels ou particuliers

Il date de 2007, mais a l’avantage d’être simple d’utilisation et gratuit.

Les objets sur les images sont identifiés en plaçant des points tout le long du bord de cet objet, définissant ainsi son « contour ». Certains outils facilitent le placement de ces contours, comme par exemple la « baguette magique » qui, sur les coupes segmentées, entoure automatiquement un objet ayant été coloré au préalable.

Une fois que les contours sont tous réalisés sur l’ensemble des images choisies, les différents points de chaque contour sont connectés par l’intermédiaire d’une « routine » utilisée par le logiciel. Cette « routine » trouve la meilleure solution pour assembler les différents sommets de chaque image consécutive, en utilisant une densité de points définie au préalable par l’utilisateur.

Les objets, maintenant réalisés, sont restitués dans la deuxième partie du logiciel, où on peut ensuite travailler l’éclairage et les couleurs. Plusieurs objets peuvent être chargés en même temps et Winsurf les place automatiquement les uns par rapport aux autres dans le bon alignement.

Une dernière caractéristique peut enfin être travaillée : la capacité de rendre un objet plus ou moins lisse, en réduisant ou supprimant les différents angles créés par des sommets qui seraient trop éloignés. Cette fonction (le « smooth ») permet d’obtenir un objet plus net, plus beau. Mais dans la modélisation des nerfs du membre supérieur gauche, le résultat n’était pas probant, donc cette fonction n’a pas été utilisée.

D’un point de vue plus technique le logiciel comporte deux interfaces :

-  l’interface 2D 


-  et l’interface 3D. 


La partie 2D est celle qui permet le travail sur les coupes. Elle est composée de plusieurs outils qu’on trouve sur la barre à gauche de l’écran.

• Le 1^er permet d’aller vers le mode 3D, détaillé ci-après.
• Le 2^nd permet d’ajuster les contours (peu utilisé). 
• Le 3^ème, la “baguette magique”, permet de faire gagner beaucoup de temps sur les coupes segmentées, un seul “clic” suffit pour faire les contours de tout un objet, le contour est automatique.
• Le 4^ème, « la ligne droite », permet à l’utilisateur de faire des points un à un sur l’objet pour le « contourer ». Les coordonnées x et y sont enregistrées à chaque point, tandis que la coordonnée z change lorsqu’on passe à une autre coupe.
• Le 5^ème, le “crayon”, permet cette fois-ci à l’utilisateur d’entourer son objet d’un trait continu, et c’est le logiciel WinSurf qui va placer des points le long du trajet, le nombre de point dépendra de la densité (elle-même définie dans une fenêtre que l’on peut faire apparaître d’un clic droit). 
• Le 6^ème  permet de “zoomer” et de “dézoomer”.   
• Le 7^ème, la “main”, permet de déplacer individuellement chaque point après le tracé.
• Le 8^ème permet de rajouter des points sur un tracé.
• Le 9^ème, la “gomme”, efface un ou plusieurs points d’un tracé. 
• Le dernier, peu utilisé aussi, permet de placer des marqueurs sur différentes coupes.

La partie 3D permet le travail sur les modèles reconstruits. Elle contient également plusieurs outils.

• Le 1^er  permet de revenir vers le mode 2D.
• Le 2^nd permet d’aller sur la fenêtre d’ajustement dont nous reparlerons.
• Le 3^ème la main permet de déplacer l’objet dans la fenêtre.
• Le 4^ème permet de “zoomer” et “dézoomer” en se déplaçant selon l’axe Z.
• Le 5^ème (le “trackball”) permet de passer vers une vue du dessus ou du dessous.
• Le 6^ème permet de tourner l’objet selon un axe Y.
• Le 7^ème permet de tourner l’objet selon un axe X.
• Le 8^ème permet de tourner l’objet selon l’axe Z.
• Le 9^ème permet d’aller dans la fenêtre des textures. Dans celle-ci on peut : changer la couleur de l’objet via un système RGB (Red Green Blue), rendre visible ou pas l’objet (visible), appliquer un éclairage ou pas (lighting), dépeindre l’objet afin d’en faire un modèle sans surface, appliquer ou non les textures, afficher chaque couleur de contour utilisé pour l’objet, Smooth object permet de lisser l’objet, l’objet rapetissant en fonction. On peut choisir l’opacité ainsi que la brillance de l’objet. Enfin on peut appliquer des textures aux objets.
• Le 10^ème permet de prendre une photo de la fenêtre 3D.
• L’outil “mesure” permet de mesurer la distance entre deux points en utilisant le système de mesure entré dans les caractéristiques des coupes. 
• Le 12^ème (« toggle marker ») permet d’ajouter ou d’enlever un marqueur de la fenêtre 

Enfin dans la vue 3D, les outils de barre du haut de logiciel ont aussi une certaine utilité.

Dans l’onglet « Tools », on peut changer la couleur de l’arrière-plan ainsi que prendre une vidéo de la fenêtre du logiciel. L’onglet « Advanced » offre trois possibilités. Dans « Advanced surfacing », on peut choisir le rendement du logiciel. « Proof « permettant un rendement rapide mais avec une qualité faible, « Best » permet un rendement plus élevé mais induira une lenteur dans l’affichage de l’objet. L’outil « slice locator » permet d’atteindre la coupe 2D correspondante à une région de l’objet 3D (il suffit de cliquer quelque part sur l’objet 3D).

Afin de créer un modèle 3D sur Winsurf, il faut tout d’abord cliquer sur « new contour file » dans l’onglet « file ». S’ouvre alors une fenêtre qui nous permet de choisir la base d’images qui sera utilisée comme coupe. Une fois ceci effectué, il faut choisir la largeur, l’épaisseur et l’intervalle entre chaque coupe.

Dans notre projet, la largeur était de 5650, l’épaisseur de 2 et l’intervalle dépend de la partie anatomique considérée (plus une partie était précise, plus l’intervalle entre chaque coupe devait être petit, et inversement). Ensuite, sur la fenêtre 2D, il nous est permis de « contourer » nos coupes une à une. Il faut toujours faire le contour des éléments dans le même sens, en commençant si possible vers le même endroit, et en mettant la même densité de point d’une coupe à l’autre. Si ces conditions ne sont pas respectées, le rendu ne sera pas de bonne qualité.

Une fois que les contours de notre élément sont effectués sur chacune des coupes, il ne faut pas oublier de « clapser » les objets, afin que les extrémités soient fermées.

Dans le cas où nous voulons représenter un objet qui se divise (un vaisseau par exemple), nous pouvons utiliser différents canaux.

Nous pouvons ensuite aller dans la section 3D, où nous pouvons travailler sur l’objet tridimensionnel à l’aide des outils détaillés ci-dessus. Nous pouvons par exemple lisser l’objet, définir sa couleur ou encore lui donner une certaine texture.

L’objectif de l’étude étant de modéliser en 3D les différents nerfs du membre supérieur gauche à partir des coupes anatomiques du Korean Visible Human (KVH), nous avons donc réalisé pour chaque nerf la procédure de fonctionnement du logiciel Winsurf décrite ci-dessus.

Seules les coupes numérotées de 1711 à 4541 (soit 2830 coupes du membre supérieur gauche) ont été utilisées pour notre étude, avec les caractéristiques suivantes :

• la largeur était de 5650, l’épaisseur de 2 et l’intervalle dépend de la partie anatomique considérée (en moyenne 10)
• pour les nerfs : les références couleurs (système Red/Blue/green) étaient 180/70/60 avec une brillance (« shininess ») à 30 ; 


Des captures d’écran des différentes modélisations 3D ont ensuite été réalisées pour exposer les résultats.


Marie Messager
Ostéopathe à Versailles Chantiers
78 - Yvelines